|
马上注册,结识高手,享用更多资源,轻松玩转三维网社区。
您需要 登录 才可以下载或查看,没有帐号?注册
x
在机械制造中,刀具材料对刀具切削性能和加工效率与质量,具有决定性的作用。计算机集成先进加工系统的出现,各种难加工材料在不同行业的应用,高速切削和高效切削以及精密加工、绿色制造的不断向前发展,对刀具特别是对刀具材料提出了全新的更高的要求。
( J6 H' i; @# w6 h- b: H
- {* N; y. n) s( l5 ]) C/ B 自20世纪中期以後,工程材料中不断出现和应用难加工金属和非金属材料。原用的刀具,如高速钢、硬质合金刀具等难以胜任其加工要求,於是超硬刀具材料便应运而生。
5 S; G$ L* h/ ?
8 K8 m1 M' z% v% G: d, P) h 最早的超硬刀具材料只有金刚石和立方氮化硼(PCBN)两种。人类从使用天然金刚石开始,後来研制成功人造金刚石和立方氮化硼,这两种材料虽然已得到广泛应用,但因其价格很高,成型和加工都颇为困难,加上金刚石刀具不能加工黑色金属,应用推广受到限制。 & J8 q; A% ?2 G" L
3 j5 l- @! T; s9 ^5 Y* m& I
新型刀具材料CNx
" u; T) Z6 d* T) h* z) S/ C
, P& q& Y7 O3 c$ M: o6 a3 ~6 \ 近年来出现了一种新型刀具材料氮化碳。美国物理学家A.M.Lin和M.L.Cohen用分子工程理论,设计出新型超硬无机化合物CNx。根据体弹模量的计算,这种化合物可以达到接近甚至超过氮化硼和金刚石的硬度。( ~ ^# k* }& w# F2 S0 @- y
- N+ x* b; Z. \" n
利用de反应磁控溅射工艺,国内外的物理和材料科技人员能在不同的基体材料上沉积出CNx超硬薄膜。这种薄膜具有高硬度、高耐磨、低摩擦和强导热等性质,而且不与黑色金属产生化学反应。# l/ p1 B! A% T5 N# @ k( F
% M" y$ ~% q; |- H+ }, J' Z
1. CNx薄膜的机械性能! |# n. t. J9 J$ S f* f
6 u' \3 T& o. x3 a1 I
国内物理学家在高速钢刀具和硬质合金刀具上沉积CNx薄膜,其表面显微硬度经测量为4000∼7200HV。可见其硬度已达到立方氮化硼的硬度,但稍低於人造金刚石的硬度。也有人曾用划痕法测量过CNx薄膜涂层的附着力,验证其达到了JB/T8365标准规定。
. A+ O/ D, G* e& e. y# k- v5 H5 d' q3 V
2. CNx表面涂层刀具的实验, a; Z: o: F: D7 X6 N3 u
(1)CNx表面涂层高速钢刀具的钻削实验2 j1 J c& \( [7 P
笔者用直径Φ10.5mm的M2(W6Mo5Cr4V2)高速钢麻花钻,进行CNx表面涂层,涂层厚度3∼5μm。用涂层前後的相同钻头在38CrNi3MoVA(经过调质,硬度为36∼40HRC)高强度钢上钻孔,孔深为12mm。
7 F# h9 K U$ A: _1 S8 Z8 M t- k2 L1 { j7 g: |* `
切削用量:进给量f=0.13mm/r,转速n=600r/min,切削速度v=19.8m/min;不加切削液。这样的工况下,每钻一个孔约耗时9.6s,刀具磨损值VB在钻头最大直径处的後刀面上测量。同时,为了进行不同涂层的对比,笔者又用常规的PVD工艺制成的TiN表面涂层的M2高速钢麻花钻,与上述麻花钻一并进行钻孔实验。钻孔实验结果如图1所示。
. \+ ]( ~( V2 T- P9 z4 O" p; \; [( H7 Q( m6 ]( q" Q
由图1可见,如用0.3mm後刀面磨损量为磨钝标准,则CNx涂层钻头可钻48个孔,约为未涂层钻头的8倍、TiN涂层钻头的2倍。可见,CNx涂层对提高耐磨性的效果非常显着。TiN涂层钻头的钻孔数为24个。未涂层M2钻头的钻孔数为6个。
- J: h! K1 m& A7 ]" `( c; e+ q* f* x0 D5 W2 @
(2)CNx表面涂层硬质合金刀片的车削实验4 A' h% I: G" [/ Y0 [+ X9 y
① 笔者用K30硬质合金刀片为基体,涂覆CNx薄膜,车削T12A淬硬工具钢(硬度61HRC)。将其与未涂层的K30刀片进行对比,参加对比的还有立方氮化硼(PCBN)车刀。
1 b4 a7 Y& G4 D- z$ y/ b8 }: K, J0 V
' V% C/ Q) l. d$ P# _) |( f切削用量:切削深度ap=0.5mm,进给量f=0.1mm/r,切削速度v=60m/min。
: ~% Z+ y }9 g
* A5 P, _. G$ S% C; ^4 L刀具几何参数:前角γo=0°,後角αo=8°,主偏角κr=90°,刃倾角λS=-4°,刀尖圆孤半径rε=0.8mm。
( {% q- r+ ?3 u- H2 c3 R1 }" L& t( A- Z
三种刀具(片)的磨损曲线见图2。可见,未涂层的K30硬质合金刀片车削淬硬工具钢,仅仅3min时,後刀面磨损量VB即达0.3mm。CNx涂层刀片当VB达0.3mm时,切削时间达15min。# J. m3 a h6 m% m6 y! {# h
4 J, Z- C. A: U; Z0 U& d; D而PCBN车刀切削20min,VB方为0.2mm。预计PCBN车刀的使用寿命可超过30min。
1 j3 ^. w6 X6 [/ ^! x" A, t: i# k
② 又用P20硬质合金刀片为基体,涂覆CNx薄膜,车削60Si2Mn高强度钢(调质,硬度40HRC)。与未涂层的P20刀片进行对比。参加对比的还有用CVD工艺制成的TiC表面涂层的硬质合金刀片,称为YBo2。
- t' o3 Z+ a7 K! E# b% [) J9 B" M3 Y) j$ Y' d
切削用量:切削深度ap=1mm,进给量f=0.15mm/r,切削速度v=150m/min。
! l" }: I, E. Q4 i1 h5 c) M; |% V* G$ L+ a$ Q" [+ Q
刀具几何参数:前角γo=4°,後角αo=8°,主偏角κr=45°,刃倾角λs=-4°,刀尖圆孤半径rε=0.8mm。
+ v% v# [' _+ t3 R% g" c$ G% x1 e) u' b
磨损曲线对比见图3。
, j& _6 Y" [1 b; F* n6 G; g" S/ C, a& Q* c7 s! W1 K
由图3可见,取磨钝标准为VB=0.3mm,未涂层P20刀片的切削时间仅约为10min;YBo2刀片的切削时间约为30min,是P20的3倍。CNx涂层刀片切削30min後,VB仅为0.15mm;估计VB达0.3mm时,切削时间可达40min。3 z1 D1 D/ \: G
6 O! J( a# F% r' ?2 ]$ ~! k/ n8 X, ^1 T
分析与讨论
0 K; n9 s$ w2 ~, s从以上的实验研究可以看出,CNx涂层刀具的硬度能达到PCBN的水平并接近於金刚石,切削效果显着,其使用寿命大大高於未涂层的高速钢刀具和硬质合金刀具,也高於TiN、TiC涂层刀具。且CNx与黑色金属之间呈惰性,不起化学作用。同时,C和N资源丰富,不存在资源匮乏的问题。由此分析,CNx涂层刀具大有发展前途和应用前景。 0 I% Y( }; _* i5 N' q
' N. y! S2 I5 h- I" @
但是,值得特别提请注意的是,鉴於CNx涂层刀具的基础工作尚做得不够,必须认真对待以下各方面: - ?" B& N) w- x" M6 b/ }0 \1 y5 n
" q3 @: o* i+ ]" `
(1)应实施CNx的机械、物理性能的全面测试工作,如密度、导热系数、强度、弹性模量以及冲击值的测试等等。
* I$ X. H' ?; ~+ a7 ?) s, Y* @" d. m/ ]4 i
(2)高速钢钻头经CNx涂层,取得了显着的切削效果。且巿售的磨制钻头,即可用以涂层,不需另行精化。其它高速钢刀具,如车刀、铣刀、丝锥、齿轮滚刀和插齿刀等,有待逐一涂覆CNx,进行实验,以充分考察其切削效果。
e3 U2 m/ }. _+ `# I! g- ?: B; h. {% \8 B0 y. H# k ~
(3)除了车刀以外,还应在其它硬质合金刀具(如铣刀,特别是整体硬质合金钻头和立铣刀等)上涂覆CNx,进行切削实验。
) G" K9 C. }* j% t) S6 U) m& r$ ^# H" l# _. J* u/ a
(4)作为基体,有待研究各种硬质合金与CNx涂层之间的结合力,从而优选出最好的硬质合金基体材料。同时,还应研究CNx涂层硬质合金刀具的涂前处理。 c1 L' Y G! ]0 p) g% G4 C5 J! N
& x- _: {( ?' Y9 e" W5 B. B(5)当今,各种新的涂层方法和涂层材料品种相继出现,如TiAlN、TiCrN、Al2O3及其多层涂覆,也有待与CNx涂层刀具实施对比,进一步确定CNx涂层的使用价值。
0 |! p, s& h4 w9 z
2 G( @. p- q6 y& `8 w(6)探讨生成CNx厚膜的可能性。
. K0 F7 W# c/ ~( j1 v# N" x! w$ v
- e2 f% I: P" n总之,在做好CNx涂层刀具的基础工作之後进行推广应用,如果贪图急功近利,则往往只能“欲速则不达”。 . X( C Q4 X3 p J; x4 r
|
|